Поляризационная и когерентная рефлектометрия биотканей: физические основы, методы, приложения

Кузнецова, Лиана Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Поляризационная и когерентная рефлектометрия биотканей: физические основы, методы, приложения
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Поляризационная и когерентная рефлектометрия биотканей: физические основы, методы, приложения"

На правах рукописи

Кузнецова Лиана Владимировна

ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ И КОГЕРЕНТНАЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ БИОТКАНЕЙ: ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, МЕТОДЫ, ПРИЛОЖЕНИЯ

03.00.02 - биофизика 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат физико-математических наук

Саратов - 2006

Работа выполнена на кафедре оптики и биомедицинской физики физического факультета Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского и в лаборатории лазерной диагностики технических и живых систем Института проблем точной механики и управления РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Зимняков Дмитрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Хлебцов Николай Григорьевич кандидат физико-математических наук, доцент Приезжее Александр Васильевич

Ведущая организация: Саратовский филиал Института радиотехники и

электроники РАН

Защита диссертации состоится 2 марта 2006 г. в -/¿Гчас. ЗО мин. на заседании диссертационного совета Д212.243.05 в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского (410026. г. Саратов, ул. Московская, 155).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Саратовского государственного университета.

Автореферат разослан « / » 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н., профессор

В.Л. Дербов

ZOOG А 2 7 GET

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений биофизики и медицинской физики является развитие неинвазивных методов морфофуикциональной диагностики и визуализации биотканей с использованием зондирующего электромагнитного излучения оптического диапазона. При использовании импульсных или непрерывных не-когерентпых источников зондирующего излучения параметры, несущие информацию о морфологии и функциональном состоянии зондируемых биотканей, определяются исходя из измеренных значений интенсивности рассеянного тканью света в зависимости от его длины волны, состояния поляризации, условий зондирования объекта и детектирования рассеянного излучения. Применение лазерных источников света в ряде случаев позволяет получить дополнительную информацию о структуре и динамике рассеивающих центров в зондируемом объеме ткани на основе статистического или спектрального анализа рассеянного спекл-модулированного излучения.

Начиная с середины 80-х годов XX века, дальнейшее развитие статистической оптики и лазерной физики в части исследования взаимосвязей статистических и корреляционных свойств многократно рассеянных спекл-модулированных оптических полей со структурными и динамическими характеристиками рассеивающих сред связано с применением методов квантовой электродинамики (уравнения Дайсона и Бете-Солпитера, диаграммный метод) для описания распространения волн в случайно-неоднородных средах. Теоретические и экспериментальные исследования интерференционных эффектов в условиях многократного рассеяния [A.A. Голубенцев, 1984; М. Van Albada, A. Lagendijk; Р.-Е. Wolf, G. Maret, 1985; M. Stephen, 1988; S. Feng, P. Lee, A. Stone, I. Freund, 1988; F. MacKintosh, S. John, 1989 и др.] явились основой для ряда новых методов когерентно-оптической диагностики многократно рассеивающих случайно-неоднородных сред, включая биоткани (диффузионно-волновая спектроскопия, ДВС [Р. Chaikin et al., 1989; D. Boas, A. Yodh, 1997; и др.]). В настоящее время ДВС методы широко применяются в лабораторной и клинической практике для анализа динамики рассеивающих центров в биологических средах (в частности, микроциркуляции крови в биотканях [G. Nilsson, 1991; A. Serov et al., 2000]). Применение современных ПЗС и КМОП устройств для детектирования рассеянного излучения позволило существенно модернизировать спекл-корреляцшшиую^иагностику; в результате развивае-

мыс в последнее десятилетие спекл-методы полного поля [А Fercher, J Briers, 1981] успешно применяются для исследования стационарной и нестационарной динамики ансамблей рассеивателей в биологии, медицине, материаловедении (диагностика и визуализация кровотока в поверхностных слоях биотканей, исследование нестационарного массопереноса в пористых средах) К числу разработанных в последнее время когерентно-оптических методов диагностики биотканей также относится метод спектроскопии когерентного обратного рассеяния [V, Backman et al., 2003]. Использование в данном случае широкополосных источников зондирующего излучения позволяет анализировать спектральные зависимости оптических характеристик зондируемой среды (в частности, транспортного коэффициента рассеяния) и тем самым получать дополнительную информацию о морфологии исследуемого объекта. Результаты теоретических и экспериментальных исследований распространения поляризованного излучения в случайно-неоднородных средах, выполненных в последнее десятилетие [D. Bicout et al., 1994 и др.], явились предпосылкой для создания простых и эффективных поляризационных методов морфофункциональной диагностики и визуализации биотканей [S. Demos, 1998; S. Jacques, 1991; V. Sankaran, 1999; Д.А. Зимняков, Ю.П. Синичкин, 2000]. Следует отметть значительный вклад российских исследователей и научных школ из других стран СНГ в развитие оптических методов диагностики биологических сред (B.JI. Кузьмин, В.П. Романов, Д.Б. Рогозкин, В.В. Тучин, A.B. Приезжев, Л.П. Шубочкин, А.П. Иванов, АЛ. Хайруллина, А.Н. Понявина, В.А. Лойко, О.В. Ангельский, А.Г. Ушенко, Н.Г. Хлебцов, Д.А. Зимняков, С.С. Ульянов, Ю.П Синичкин, И.Л. Максимова и др.).

Несмотря на значительные успехи в области развития фундаментальных основ и практических приложений поляризационной и спекл-корреляционной диагностики и визуализации биотканей, актуальными задачами в настоящее время являются повышение эффективности и расширение функциональных возможное гей существующих диагностических методов, а также разработка новых подходов в области оптической диагностики с использованием когерентного и некогерентного света. В частности, в недостаточной степени разработаны когерентно-оптические методы исследования нестационарной динамики рассеивающих центров в биологических средах, возникающей в результате воздействия на биоткани различных факторов.

В связи с этим целью работы является развитие существующих и разработка новых методов поляризационной и когерентно-оптической диагностики биологических объектов на основе исследований поляризационных и корреляционных свойств обратно рассеянного зондирующего излучения в зависимости от структурных и динамических характеристик зондируемых модельных сред и биотканей.

Для реализации сформулированной цели решались следующие задачи: - теоретические и экспериментальные исследования оптимальных условий поляризационной визуализации неоднородностей в многократно рассеивающих средах с

использованием степени поляризации обратно рассеянного некогерентного излучения как параметра визуализации;

- разработка теоретических основ и экспериментальная апробация спскл-корреляционного метода полного поля с многокаскадной пространственной фильтрацией рассеянного света применительно к исследованию нестационарной динамики рассеивающих центров в зондируемой среде;

- экспериментальные исследования динамического рассеяния зондирующего когерентного света с использованием спекл-коррелометрии полного поля в условиях термической модификации коллагеновых тканей при нестационарном на1ревс ИК лазерным излучением; разработка на данной основе спекл-корреляционного метода мониторинга процесса лазерной модификации хрящевой ткани в условиях детектирования обратно рассеянного зондирующего излучения;

- разработка теоретических основ и экспериментальная апробация метода определения оптических характеристик случайно-неоднородных модельных сред и биотканей путем анализа данных спектроскопии когерентного обратного рассеяния, диффузного пропускания и отражения на основе модели эффективной однородной среды с комплексным показателем преломления.

Научная новизна работы

1. Впервые проведен сравнительный анализ различных подходов к поляризационной визуализации поглощающих неоднородностей в мно! ократно рассеивающих средах в условиях зондирования среды линейно поляризованным светом и детектирования обратно рассеянного излучения. Установлено, чю наилучшее качество поляризационных изображений и максимальная глубина зондирования достигаются при использовании степени поляризации детектируемого обратно рассеянного излучения в качестве параметра визуализации.

2. Разработан спекл-корреляционный метод полного поля с использованием куму-лянтного анализа контраста усредняемых по времени спекл-модулированных изображений зондируемой среды для определения кинетических параметров процессов структурной модификации биотканей в условиях нестационарного термического воздействия.

3. Разработан метод определения оптических характеристик плотноупакованных случайно-неоднородных сред (в том числе и биотканей) путем анализа данных спектроскопии когерентного обратного рассеяния и диффузного пропускания с использованием модели пространственно-однородной эффективной среды с комплексным показателем преломления.

4. Впервые установлен эффект резкого убывания параметра локализации Ы' (к -волновое число зондирующего излучения в среде, /'- транспортная длина) до значений, близких к критическому (И' =1), для модельных сред на основе частиц двуокиси титана при уменьшении длины волны зондирующего излучения вблизи края полосы поглощения ТЮ2.

5. Впервые установлено существование анизотропии угловых распределений интенсивности в пиках когерентного обратного рассеяния для биологических сред с частично ориентированной фибриллярной структурой; полученная в экспериментах величина угловой анизотропии пиков когерентного обратного рассеяния (отношение значений максимальной и минимальной полуширины пиков) хорошо согласуется с отношением максимального и минимального значений транспортных коэффициентов зондируемой среды, определенным путем анализа изображений объекта в диффузно отраженном свете.

Практическая значимость результатов исследований

1. Уточнены условия эффективного применения метода поляризационной видеореф-лектометрии для морфофункциональной диагностики и визуализации поверхноа -ных слоев биотканей при их зондировании линейно поляризованным светом в условиях спектральной селекции обратно рассеянного излучения (путем анализа составляющих получаемых цветных изображений, соответствующих различным цветовым координатам).

2. Разработан метод спекл-корреляционного мониторинга процесса лазерной модификации хрящевых тканей; разработан макегный образец спекл-коррелометра полного поля с использованием волоконно-оптических элементов для передачи рассеянного зондирующего излучения от зоны термической модификации до ПЗС-камеры, что позволяет применить разработанное устройство при создании системы обрагной связи для лазерных хирургических установок, используемых в клинических условиях для формоизменения хрящевых тканей.

3. Разработан новый подход к определению оптических характеристик плотноупа-кованных случайно-неоднородных сред, в том числе и биотканей (в частности, транспортного коэффициента рассеяния среды, относительного показателя преломления рассеивающих центров и эффективного показателя преломления среды) по экспериментальным данным, полученным с использованием различных оптических диффузионных методов (диффузионно-волновой спектроскопии, спектроскопии диффузного пропускания и отражения, импульсно-модуляционного зондирования, спектроскопии когерентного обратного рассеяния, низкокогерентной интерферометрии).

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием апробированных методов измерений, обработки и анализа экспериментальных данных. Достоверность подтверждается согласием полученных экспериментальных и теоретических результатов с данными, полученными другими авторами. Все экспериментальные результаты воспроизводятся при повторении экспериментов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Наилучшее качество изображений и максимальная глубина зондирования при поляризационной визуализации поглощающих неоднородностей в рассеивающей среде с использованием селекции линейно поляризованных составляющих обратно рассеянного света достигаются при использовании в качестве параметра визуализации степени линейной поляризации детектируемого излучения; при этом максимальный контраст формируемого поляризационного изображения соответствует глубинам залегания неоднородности в рассеивающей среде (в зависимости от параметра анизотропии рассеяния) в диапазоне от 0.3 до 1.5 значений транспортной длины рассеивающей среды. Так, для сред с параметром анизотропии рассеяния, равным 0.85, максимальное значение контраста поляризационного изображения достигается при глубине залегания, равной 0.4 Г.

2. Зависимости контраста усредняемых по времени спекл-модулированных изображений поверхности термически модифицируемой хрящевой ткани от ее температуры демонстрируют существование гистерезиса с шириной петли, определяемой дозой ИК лазерного излучения, используемой для модификации ткани.

3 Энергия активации процесса термической модификации хрящевой ткани, определяемая для начальной стадии лазерного нагрева для значений мощности излучения эрбиевого лазера (длина волны 1.56 мкм) от 4 до 5 Вт с использованием спекл-корреляционного метода полного поля, составляет 62 ± 4 кДж/моль. Эта энергия предположительно соответствует конформационным переходам в подсистеме про-теогликановых агрегатов как одной из основных составляющих хрящевой ткани.

4. Разработан спекл-корреляционный метод полного поля для определения кинетических параметров (в частности, энергии активации) процессов термической модификации и денатурации биотканей в условиях нестационарного термического воздействия.

5. Разработан метод определения оптических характеристик плотноупакованных случайно-неоднородных сред на основе анализа экспериментальных данных по диффузному пропусканию, когерентному обратному рассеянию и результатов низкокогерентной интерферометрии с использованием модели пространственно-однородной эффективной среды с комплексным показателем преломления.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и отечественных научных конференциях: Saratov Fall Meeting, Saratov, Russia (October 1999, 2000, 2001, 2002, 2003; September 2004, 2005); Saratov International Workshop on Biophotonics, Saratov, Russia (June 2002); Photonics West: BIOS 2003, Optical Diagnostics and sensing III, USA (January 2003); Graduate Summer School Bio-Photonics, Island Ven, Sweden (June 2003); NATO Advanced Study Institute "Biophotonics: From Fundamental Principles to Health. Environment, Security and Defence Applications", Ottawa, Canada (29 September - 4 October 2004); Photonics North, Ottawa, Canada (September 2004); Десятая

Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и Молодых Учёных, Москва, Россия (Апрель 2004).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 работ (4 статьи в рецензируемых журналах, 9 статей в международных научных сборниках, 3 статьи в сборниках тезисов докладов конференций).

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя состоит в самостоятельном проведении экспериментальных и теоретических исследований, обработке и интерпретации полученных результатов. Постановка задач исследований осуществлялась научным руководителем д.ф.-м.н.. профессором Д.А. Зимняковым Часть экспериментов по поляризационной визуализации и термической модификации хрящевой ткани выполнена совместно с профессором Д.А. Зимняковым, профессором Ю.П. Синичкиным и старшим научным сотрудником А.П. Свиридовым.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, 4 глав, Заключения и списка литературы из 167 наименований. Общий объем работы составляет 155 страниц текста, иллюстрированного 35 рисунками.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы, ее новизна и практическая значимость, определена цель работы, представлены основные результаты, полученные в ходе выполнения работы, и основные положения, выносимые на защиту. Указывается также личный вклад автора и рассматривается краткое содержание диссертации.

В первой главе представлен краткий обзор различных когерентно-оптических и поляризационных методов в контексте их возможного применения для диагностики и визуализации сред со сложной структурой, в том числе и биологических тканей (диффузионно-волновая спектроскопия, метод полного поля на основе локальных оценок контраста усредняемых по времени спекл-модулированных изображений объекта, оптическая когерентная томография, поляризационная диафанография, визуализация с применением частично поляризованного прошедшего излучения, поляризационная отражательная спектроскопия и др.).

Вторая глава посвящена рассмотрению концепции статистики оптических путей парциальных составляющих многократно рассеянных световых полей в случайно-неоднородных средах в применении к теоретическому анализу многих спекл-корреляционных и поляризационных методов диагностики и визуализации биотканей. Обсуждается явление подобия статистических моментов распределений оптических путей парциальных составляющих, которое проявляется в существовании взаимосвязи релаксационных масштабов для различных статистических моментов рассе-

янного светового поля. В главе также представлена теоретическая модель формирования поляризационных изображений многократно рассеивающих макроскопически неоднородных сред с использованием степени остаточной поляризации обратно рассеянного излучения как параметра визуализации. С использованием разработанной модели определены и подтверждены в экспериментах с модельными средами (рис. 1а) оптимальные условия поляризационной визуализации макронеоднородностей в условиях многократного рассеяния. В качестве рассеивающей среды использовалась водно-молочная эмульсия, а поглощающий объект представлял собой прямоугольную пластину с зачерненными матовыми поверхностями, погруженную на различную глубину в рассеивающую среду (рис .16).

I 8

а б

Рис. 1. а - схема эксперимента 1 - контейнер с рассеивающей средой, 2 — поглощающая плас 1 ина, 3,4 - маркеры, 5 - поляризатор, 6 - анализатор, 7 - галогеновая лампа, 8 - видеокамера, 9 компьютер, б - исследуемая рассеивающая среда

1.0

& 04

0.0 0.

0 05

1.0

1 5 С, Ч

Ряс. 2. Зависимость контраста изображения поглощающего объекта от объемной концентрации молочной эмульсии при использовании в качестве параметра визуализации нормированной интенсивности неполя-ризованного света (1), ко-поляризованной (2) и кросс-поляризованной (3) составляющих и степени поляризации (4) обратно рассеянного излучения.

Показано, что использование степени остаточной поляризации как параметра ви-зуачизации (в сравнении с другими характеристиками обратно рассеянного излучения, рис. 2) может обеспечить преимущества в случае промежуточных режимов рассеяния,

когда модальное значение для распределения оптических путей сравнимо с длиной деполяризации Поэтому поляризационные изображения наиболее чувствительны к морфологическим изменениям структуры ткани, особенно в подкожных слоях.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования динамического рассеяния зондирующего лазерного излучения в условиях использования спекл-коррелометрии полного поля для мониторинга термической модификации коллагено-вых тканей при нестационарном нагреве ИК лазерным излучением.

Хрящевая ткань - одна из разновидностей соединительной гкани - представляет собой сложную структуру, состоящую из трехмерной сетки коллагеновых волокон (коллагенового матрикса); пространство между волокнами заполнено гидратирован-ными макромолекулярными протеогликанами.

Для анализа кинетики термически индуцированной модификации хрящевых тканей в работе использован метод снекл-коррелометрии полного поля на основе статистического анализа усредняемых по времени спекл-модулированных изображений модифицированной ткани. Первая часть главы посвящена спекл-корреляционной диагностике термически модифицируемых in vitro тканей животных в проходящем свете. Во второй части главы описаны результата дальнейшего развития спекл-корреляционного метода мониторинга процесса лазерной модификации хрящевой ткани в условиях детектирования обратно рассеянного зондирующего излучения. В результате разработана теоретическая модель для описания эволюции пространственно-временных корреляционных характеристик световых полей, распространяющихся в многокомпонентных оптических системах (в том числе и содержащих многоканальные волоконно-оптические элеменш типа волоконно-оптических жгутов). На основе данной модели количественно описан процесс преобразования корреляционных характеристик (в частности, времени корреляции) флуктуаций интенсивности светового поля (определяемых динамическими характеристиками диагностируемого объекта) в случае регистрации рассеянного объектом зондирующею излучения многокомпонентным спекл-коррелометром полного поля. На рис. 3 приведена схема экспериментальной установки для исследования динамики спеклов при рассеянии лазерного излучения термически модифицируемыми биологическими тканями.

В экспериментах была продемонстрирована высокая чувствительность статистических характеристик (в част нос i и, контраста) усредняемых по времени спекл-модулированных изображений поверхности хрящевой ткани к ее структурным изменениям в процессе нагрева лазерным излучением. Для статистически однородных и эргодических спекл-полей контраст усредненных по времени спекл-структур служит харак!еристикой степени текорречяпии спеклов. вызванной динамикой рассеивате-лей, и может быть записан как

где £2(т) +т)/(/))-(/(0}'}/{(/2 (/))-(/(?))'} - нормированная временная корреляционная функция флуктуаций интенсивности Правомерность использования данного подхода в нашем случае обусловлена гем, что характерное время изменения корреляционных характеристик флукгуаций интенсивности время корреляции) существенно превышает время анализа Это позволяв-! рассматривать регистрируемые флуктуации интенсивности как квазистационарный случайный процесс.

90 8070-

а 80 f

1 50 ! 40

3020

40 в

время, сек

1 0-

о 08

Рис. 3. Схема экспериментальной установки 1 Не-№ лазер (Я = 633 нм); 2 - телескопическая система -расширитель пучка; 3 - исследуемый образец: 4 - линза, формирующая изображение поверхности модифицируемого участка на входном торце волоконно-оптического жгута 5, 6 ПЗС камера, 7 - эрбиевый лазер (Л = 1 56 мкм), 8 волоконно-оптический световод, 9 - тепловизор "ИРТИС-200"

40 60

Время сек

Рис. 4. Изменения температуры и контраста спекл-модулированных изображений, регистрируемых в процессе лазерной модификации хрящевой ткани в течение цикла «нагрев-модификация-релаксация» при различных значениях мощности лазерного излучения

Зависимости контраста усредняемых по времени спекл-модулированных изображений поверхности термически модифицированной хрящевой ткани от температуры демонстрируют существование гистерезиса с шириной петли, определяемой дозой ИК лазерного излучения, прйменяемой для модификации (рис. 5).

1.1

1.0 0.9 0.8

20 30 40 50 60 Т,°С

Разработан метод определения эффективных значений кинетических параметров процесса структурной модификации диагностируемых объектов на основе куму-лянтного анализа контраста усредняемых по времени спекл-модулированных изображений (рис. 6). Проведены экспериментальные исследования процесса структурной модификации хрящевой ткани при воздействии излучения эрбиевого волоконно-опгического лазера С использованием разработанного метода проведена оценка эффективною значения энергии активации термической модификации для хрящевой гкани; в результате для значений мощности излучения эрбиевого лазера в диапазоне от 4 до 5 Вт получена величина £„ = 62 ± 4 кДж/моль. Это позволяет предложить в качестве возможного механизма термической модификации хрящевой ткани термически индуцированные конформационные переходы в подсистеме протеогликановых агрегатов как одной из основных структурных составляющих коллагеновых тканей.

Рнс. 6. Зависимости логарифма декремента контраста 1п(ДК) от значений \/Т (1) - случай применения оптической схемы с двухкаскадным преобразованием спекл-модули-рованных изображений линзовой системой и волоконно-оптическим жгутом; (2) - случай детектирования спеклов в плоскости изображения линзовой системы

Г1, К"1

Четвертая глава посвящена исследованию транспортных свойств многократно рассеивающих плотноупакованных сред с использованием анализа угловых корреляций обратно рассеянного излз'чения (эффект когерентного обратного рассеяния, КОР). В первой части главы представлены результаты исследований оптических

Ряс. 5. Зависимости нормированного значения контраста от температуры для процесса «термическое воздействие — термическая релаксация»

-08-

-1 2-

О р=4 5 Вт

. Р=4 5 Вт

п Р=4 2 Вт

а Р=48 Вт

\ (2)

Л1)

-2 0-1

-24-

0 0029

0 0030

0 0031

0 0032

свойств в видимой и ближней ИК областях спектра для модельной среды (слоев полидисперсных частиц двуокиси титана) на основе измерений пиков когерентного обратного рассеяния для различных длин волн зондирующего излучения. Были проведены экспериментальные исследования спектров диффузного пропускания слоев порошкового диоксида титана в диапазоне длин волн 400 нм - 800 нм (с помощью спектрофотометра Сагу-2415), а также пиков когерентного обратного рассеяния для длин волн 633 нм, 532 нм, 473 нм (в диапазоне углов рассеяния ± 400 мрад с использованием специально разработанного гониофотометра, рис. 7). Некоторые образцы анализировались с помощью сканирующего волоконно-оптического интерферометра на длине волны 820 нм.

В главе также обсуждается определение оптических характеристик плотноупако-ванных случайно-неоднородных сред в отсутствие данных о показателе преломления рассеивателей на основе аппроксимации экспериментальных данных по когерентному обратному рассеянию, а также по диффузному пропусканию и низкокогерентной интерферометрии на основе теории эффективной среды (приближение когерентного потенциала, КГ1). Приближение КП основано на определении комплексного значения показателя преломления пространственно-однородной эффективной среды пе/, соответствующего минимальному значению полного сечения экстинкции погруженных в среду пробных рассеивающих центров. Геометрические параметры пробных центров определяются структурными свойствами реальной среды. Действительная часть определяет эффективный показатель преломления реальной среды, а мнимая часть - ее коэффициент рассеяния. Исследованная рассеивающая система для заданной длины волны может быть описана параметрической зависимостью 1'{пк) = у/кп{пг1{п1С)), полученной в рамках приближения когерентного потенциала при изменении показателя преломления рассеивателей пк в заданном диапазоне. Положение пересечения кривых /' = /К0ЛП,)) и Г (п1с) - ■ ц/^ (п4 (пк)) единственным образом определяет такие параметры рассеивающей среды, как эффективное значение показателя преломления и транспортную длину. Рис. 8 иллюстрирует применение данного подхода для определения транспортных

1 8-

Рис. 7. Форма пиков когерентного обратного рассеяния лля различных длин волн.

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Угол, мрад

свойств образцов ТЮг для Л^ = 633 нм, 532 нм, 473 нм из экспериментальных результатов по когерентному обратному рассеянию. Полученные значения транспортной длины (/'), эффективного показателя преломления среды ), показателя преломления частиц ТЮг (п,с) и параметра локализации (кГ) при различных Л0 с использованием данной методики приведены в Таблице 1.

1.2 г V л Рис. 8. Зависимости /* от эффек-

тивного коэффициента преломления исследуемой среды (1,3,5 - результаты измерения когерентного обратного рассеяния, 2, 4, 6 теоретические результаты, полученные с использованием приближения когерентного потенциала при Я^ = 633 нм (кривые 5, 6), при До = 532 нм (кривые 3, 4) и при Ац = 473 нм (кривые 1,2).

Таблица 1. Значения Г, пе,, и кГ для исследуемых образцов, полученные из экспериментальных данных по когерентному обратному рассеянию, диффузному пропусканию и низко-когерен гной интерферометрии исследуемых образцов (слоев порошковых Т1О2 толщиной 20-340 мкм)

HM /', MKM пч kl' Источник данных

820 241 ±021 1.44 ±0.04 2.43 ± 0.04 26.6 ±22 Измерения НКИ

800 2.1510.30 1.4510.05 2 45 ± 0.05 24.412.5 измерения ДП

633 0 86 ± 0.06 J.49 + 006 2.45 10.06 12.7210 34 измерения ДП

0.82 ± 0 05 1 5210.06 2 4910.04 12.3710 30 измерения КОР

532 0.27 i 0.04 1.671005 2.7410.11 5.30 ±0.65' измерения ДП

0.26 ± 0 04 1.6910.07 2.78 10.08 5.1010.45 измерения КОР

473 0.075</' <0 13 1 88<ис/ <2.0 ЗОО^ <3.15 2 0<kl' <3.2 измерения КОР

' Данное значение хорошо согласуется с данными измерения kl на Я -514 нм, приведенными в работе D S Wiersma, М Р van Albada, В A van Figgelen and A Lagendijk // Phys Rev Lett -1995 -V 74 - N 21.-P. 4193—4196

Далее в главе представлены экспериментальные исследования когерентного обратного рассеяния применительно к оценке оптических параметров модельных сред и in vitro биотканей для длины волны зондирующего излучения Л0 = 633 нм. Продемонстрировано существование анизотропии пиков когерентного обратного рассеяния для биологических сред с выраженной фибриллярной структурой (образцы деминерализованной кости). Устройство детектирования состояло из фурьс-преобразующего объектива и ПЗС-камеры, расположенной в фокальной плоскости объектива. Полученные распределения интенсивности обратного когерентного рассеяния при различных ориенгациях исследуемого образца относительно заданного направления свидетельствуют об анизотропной диффузии излучения в макроскопически анизотропных рассеивающих средах. Данное обстоятельство позволяет определять оптические характеристики среды в зависимости от направления зондирования.

Рис. 9. Распределения интенсивности обратно рассеянною излучения в плоскости изображения для биологических сред с выраженной фибриллярной структурой

мрад

Полученный в наших экспериментах параметр угловой анизотропии пиков когерентного обратного рассеяния (отношение максимального и минимального значений полуширины пиков) 0.38 ± 0.04 хорошо согласуется с отношением транспортных коэффициентов для аналогичных образцов деминерализованной костной ткани, представленным в литературе (0 36):

В Заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы и обсуждены основные направления и перспективы дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

2 Svmdov А, Chernomordik V, Russo Л etal //Journal of Biomedical Optics -2005 -V 10 -N 1 -014012

ному методу поляризационных изображений достигается при модальном значении оптических путей парциальных составляющих рассеянного излучения в зондируемой среде, сравнимом с длиной деполяризации зондирующего излучения. Требуемое соотношение между глубиной проникновения зондирующего излучения в среду (например, в биологическую ткань) и длиной деполяризации может быть достигнуто путем выбора длины волны зондирующего излучения либо путем применения иммерсионных агентов и поглотителей, диффундирующих в зондируемый объем.

2. Разработан метод определения кинетических параметров процессов структурной модификации биологических тканей при импульсном и стационарном нагреве с использованием статистического анализа усредняемых по времени спекл-модулированных изображений зондируемого объекта. В экспериментах продемонстрирована высокая чувствительность статистических характеристик (в частности, контраста) усредняемых по времени спекл-модулированных изображений поверхности хрящевой ткани к ее структурным изменениям в процессе нагрева лазерным излучением.

3 Разработанная двухкаскадная схема оптического спекл-коррелометра, равно как и метод с использованием кумулянтного анализа контраста усредняемых по времени спекл-модулированных изображений анализируемого объекта, могут быть успешно применены для исследования нестационарных многократно рассеивающих сред (в частности, термически модифицируемых коллагеновых тканей). Использование в подобной системе волоконно-оптических элементов для передачи детектируемого рассеянного излучения от объекта к позиционно-чувствительному приемнику, а также детектирование излучения, рассеянного объектом в обратном направлении, позволяют применять разрабо!энную спекл-корреляционную систему для мониторинга модификации коллагеновых тканей в клинических условиях.

4. С использованием разработанного метода определения кинетических параметров процессов термической модификации и денагурации биологических тканей при воздействии ИК лазерного проведена оценка энергии активации термической модификации для хрящевой ткани; в результате получена величина 62 ± 4 кДж/моль. Это позволяет предложить в качестве возможного механизма термической модификации хрящевой ткани термически индуцированные конформационные переходы в подсистеме нротеогликановых агрегатов (ПГА) как одной из основных структурных составляющих коллагеновых тканей. Можно предположить, что флукгуации интенсивности рассеянного зондирующего излучения на стадии нагрева хрящевой ткани обусловлены динамическим рассеянием на флуктуациях диэлектрической проницаемости среды, возникающих в результате термических индуцированных конфор-мационных переходов через энергетический барьер, определяемый энергией связи дисахаридных звеньев макромолекул ПГА.

5. Разработан метод определения оптических характеристик (транспортного коэффициента рассеяния среды и эффективного показателя преломления) плотноупа-ковашшх случайно-неоднородных сред в отсутствие данных о показателе преломления рассеивателей на основе аппроксимации экспериментальных данных по когерентному обратному рассеянию, диффузному пропусканию и низкокогерентной интерферометрии с испотьзованием модели эффективной среды в приближении когерентного потенциала.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Kuznetsova L. V., Zimnyakov D.A. Multiple-beam interferometry of turbid media with quasi-monochromatic light // Proc. SPIE. - 2000 - Vol. 4001 - P. 217-223.

2. Kuznetsova L.V., Zimnyakov D.A., Zdrajevsky R.A. "Shadow inversion" in CW transillumination imaging and "image projection function" of highly scattering medium with absorbing inhomogeneity // Proc. SPŒ. - 2001. - Vol. 4242 - P. 275-279.

3. Зимняков Д.А., Кузнецова Л В Остаточная поляризация многократно рассеянного излучения: эффект подобия и влияние размерного параметра рассеивающих центров // Труды конференции «Фундаментальные проблемы физики». - 2000. -С. 86.

4. Gonik М.М., Kuznetsova L.V., Zimnyakov D.A. Scattering media diagnostics with use of analysis of dynamic speckle: some manifestations of the scattered light pathlength distributions // Proc. SPIE. - 2002. - Vol. 4705. - P. 227-235.

5. Agafonov D.N., Kuznetsova L.V., Zimnyakov D.A., Sviridov A.P., Omel'chenko A.I. Speckle contrast techniques in study of tissue thermal modification and denaturation // Proc. SPIE. - 2002. - Vol. 4705. - P. 161-165.

6 Синичкин IO П., Зимняков Д.А., Агафонов Д.Н., Кузнецова JI.B. Визуализация рассеивающих сред при обратном рассеянии линейно поляризованного немонохроматического света // Оптика и спектроскопия. - 2002. - Т. 93. - Вып. 1. - С. 99-105.

7 Zimnyakov D.A., Agafonov D.N , Sviridov A.P., Omel'chenko A.I., Kuznetsova L.V., and Bagratashvili V.N. Speckle-contrast monitoring of tissue thermal modification // Applied Optics. - 2002. - Vol. 41. - No. 28. - P. 1-8.

8. Zimnyakov D.A., Sviridov A.P., Omel'chenko A.I., Trifonov V.A., Agafonov D.N., Zakharov P.V., Kuznetsova L.V. Speckle diagnostics of relaxation processes in non-statonary scattering systems // Izv. VUZ «AND» - 2002. - Vol. 10. - No. 3. - P. 188204.

9. Kuznetsova L.V. Speckle-contrast monitoring of thermally induced structural changes in collagenous tissue // Book of abstracts of Graduate Summer School Bio-Photonics'03. - 2003. - P. 10.

10. Kuznetsova L.V., Zimnyakov D.A., Sviridov AP , Omel'chenko AI., Gryzlov Yu., Uglov E. Coherent light small-angle scattering as applied to monitor the thermal denaturation of collagen tissue // Proc. SPIE. - 2003. - Vol. 5067. - P. 132-138.

11. Kuznetsova L.V., Baranov S.A., Sviridov A.P., and Zimnyakov D.A. Comparative analysis of two modalities for speckle contrast monitoring of tissue structure modification//Proc. SPIE.-2004. - Vol. 5475.-P. 126-129.

12. Кузнецова Jl.B., Баранов C.A., Свиридов А.П., Зимняков Д.А. Спекл-корреляционный мониторинг процесса термической модификации хрящевой ткани // Проблемы оптической физики. - 2004. - С. 44-48.

13. Kuznetsova L.V., Rodionova A.A., Zimnyakov D.A. Polarization-sensitive speckle-correlometry as applied to monitoring of thermal modification processes in collagenous tissues // Proc. SPIE. - 2004. - Vol. 5578. - P. 290-298.

14. Kuznetsova L.V., Gavnlova A.A., Zimnyakov D.A. Study of relaxation of thermally treated collagenous tissues with cumulant analysis of speckle intensity fluctuations // Proc. SPIE. -2005. - Vol. 5772. - P. 139-143.

15. Кузнецова Jl.B., Зимняков Д.А., Баранов C.A., Свиридов А.П., Игнатьева Н.Ю. Исследование кинетики термически индуцированной структурной модификации биотканей с помощью спекл-корреляционного метода // Материалы IV Съезда фотобиологов России. - 2005. - С. 103-104.

16. Зимняков Д.А., Кузнецова Jl.B , Правдин А.Б. Аномальная диффузия света в слоях порошкового ТЮ2 вблизи края полосы поглощения // Письма в ЖЭТФ. - 2005. - Т. 82. - Вып. 5. - С. 300-305.

Подписано в печать 24.01.06 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Объем 1,0 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ 6 Типография АВП «Саратовский источник»

Лиц. ПД № 7-0014 от 29 мая 2000 г. г. Саратов, ул. Университетская, 42, оф.22 т. 52-05-93

ZQQ6A

2765

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Кузнецова, Лиана Владимировна

Введение

Глава 1. Обзор существующих когерентно-оптических и поляризационных методов морфофункциональной диагностики биотканей

Глава 2. Статистический анализ оптических путей парциальных составляющих рассеянных оптических полей применительно к спекл-корреляционной и поляризационной диагностике биотканей

2.1. Методы анализа плотности вероятности оптических путей парциальных составляющих рассеянных полей

2.2. Эффект подобия статистических моментов распределений оптических путей парциальных составляющих.

2.3. Влияние структурных и динамических характеристик многократно рассеивающих зондируемых сред на релаксационные параметры статистических моментов многократно рассеянных световых полей.

2.4. Теоретическое описание явления остаточной поляризации при обратном рассеянии поляризованного излучения случайно-неоднородными средами.

2.5. Определение оптимальных условий поляризационной визуализации макронеоднородностей в условиях многократного рассеяния

2.5.1. Оценка влияния оптических свойств рассеивающих сред и геометрии рассеяния на качество изображений макронеоднородности (статистическое моделирование).

2.5.2. Методика проведения эксперимента и экспериментальные результаты

2.6. Краткие выводы по главе.

Глава 3. Исследования процессов термически индуцированной структурной модификации коллагеновых тканей с использованием спекл-корреляционных методов

3.1. Физические и морфологические характеристики диагностируемой среды.

3.2. Физико-химические изменения хрящевой ткани в процессе термической модификации.

3.3. Теоретическая модель многократного динамического рассеяния зондирующего когерентного излучения термически модифицируемыми коллагеновыми тканями.

3.4. Исследование кинетики термически индуцированной структурной модификации хрящевых тканей с использованием статистического анализа усредняемых по времени спекл-модулированных изображений.

3.4.1. Методики экспериментальных исследований.

3.4.2. Обсуждение экспериментальных результатов.

3.5. Метод кумулянтного анализа усредняемых по времени динамических спекл-модулированных изображений.

3.5.1. Теоретический анализ преобразований корреляционных характеристик рассеянных световых полей в многокомпонентных оптических системах

3.5.2. Методика проведения экспериментальных исследований

3.5.3. Обсуждение экспериментальных результатов

3.6. Краткие выводы по главе

Глава 4. Анализ угловых корреляций обратно рассеянного излучения (пика когерентного обратного рассеяния) применительно к исследованиям оптических характеристик случайно-неоднородных сред и in vitro биотканей

4.1. Эффект когерентного обратного рассеяния.

4.2. Исследование транспортных характеристик многократно рассеивающих плотноупакованных модельных сред.

4.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований

4.2.2. Обсуждение экспериментальных результатов

4.2.3. Сопоставление результатов диагностики рассеивающих сред на основе спектроскопии когерентного обратного рассеяния с результатами спектроскопии диффузного пропускания и низкокогерентной интерферометрии

4.3. Измерения когерентного обратного рассеяния применительно к оценке оптических параметров модельных сред и т уИго биотканей

4.3.1. Методика проведения экспериментальных исследований

4.3.2. Обсуждение экспериментальных результатов.

4.4. Краткие выводы по главе

Введение Диссертация по биологии, на тему "Поляризационная и когерентная рефлектометрия биотканей: физические основы, методы, приложения"

Одним из основных направлений биофизики и медицинской физики является развитие неинвазивных методов морфофункциональной диагностики и визуализации биотканей с использованием зондирующего электромагнитного излучения оптического диапазона. При использовании импульсных или непрерывных некогерентных источников зондирующего излучения параметры, несущие информацию о морфологии и функциональном состоянии зондируемых биотканей, определяются исходя из измеренных значений интенсивности рассеянного тканью света в зависимости от его длины волны, состояния поляризации, условий зондирования объекта и детектирования рассеянного излучения. Применение лазерных источников света в ряде случаев позволяет получить дополнительную информацию о структуре и динамике рассеивающих центров в зондируемом объеме ткани на основе статистического или спектрального анализа рассеянного спекл-модулированного излучения.

Теоретические основы когерентно-оптических методов зондирования биотканей как случайно-неоднородных рассеивающих сред разработаны в результате фундаментальных исследований статистических свойств спекл-полей, выполненных в 60-х, 70-х и начале 80-х годов XX века [1-11]. Следует отметить, что ряд важных результатов, имеющих принципиальное значение с точки зрения лазерной диагностики случайно-неоднородных сред, был ранее получен в статистической радиофизике [12]. Для данных работ в целом характерен скалярный подход, в рамках которого стохастическая интерференция волн, рассеянных структурными неоднородностями зондируемой среды, описывается без учета изменения их состояния поляризации в процессе рассеяния. Такое приближение характеризуется определенными ограничениями в случае описания свойств спекл-модулированных оптических полей, многократно рассеянных средами с высокой объемной плотностью рассеивающих центров. Тем не менее, данный подход позволяет получить адекватное описание многих эффектов, наблюдаемых в условиях многократного рассеяния, и установить взаимосвязь структурных и динамических характеристик зондируемой среды с поляризационными и корреляционными параметрами детектируемого рассеянного излучения.

Начиная с середины 80-х годов XX века, дальнейшее развитие статистической оптики в части исследования взаимосвязей статистических и корреляционных свойств многократно рассеянных спекл-модулированных оптических полей со структурными и динамическими характеристиками рассеивающих сред связано с применением методов квантовой электродинамики (уравнения Дайсона и Бете-Солпитера, диаграммный метод) для описания распространения волн в случайно-неоднородных средах. Теоретические и экспериментальные исследования интерференционных эффектов в условиях многократного рассеяния [13-21] явились основой для ряда новых методов когерентно-оптической диагностики многократно рассеивающих случайно-неоднородных сред, включая биоткани (диффузионно-волновая спектроскопия, ДВС [22-26]). В настоящее время ДВС методы широко применяются в лабораторной и клинической практике для анализа динамики рассеивающих центров в биологических средах (в частности, микроциркуляции крови в биотканях [27, 28]). Применение современных ПЗС и КМОП устройств для детектирования рассеянного излучения позволило существенно модернизировать спекл-корреляционную диагностику; в результате развиваемые в последнее десятилетие спекл-методы полного поля [29-33] успешно применяются для исследования стационарной и нестационарной динамики ансамблей рассеивателей в биологии, медицине, материаловедении (диагностика и визуализация кровотока в поверхностных слоях биотканей, исследование нестационарного массопереноса в пористых средах). К числу разработанных в последнее время когерентно-оптических методов диагностики биотканей также относится метод спектроскопии когерентного обратного рассеяния [34]. Использование в данном случае широкополосных источников зондирующего излучения позволяет анализировать спектральные зависимости оптических характеристик зондируемой среды (в частности, транспортного коэффициента рассеяния) и тем самым получать дополнительную информацию о морфологии исследуемого объекта.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований распространения поляризованного излучения в случайно-неоднородных средах, выполненных в последнее десятилетие [35], явились предпосылкой для создания простых и эффективных поляризационных методов морфофункциональ-ной диагностики и визуализации биотканей [36-38].

Следует отметить значительный вклад российских исследователей и научных школ из других стран СНГ в развитие оптических методов диагностики биологических сред (В.Л. Кузьмин, В.П. Романов, Д.Б. Рогозкин, В.В. Тучин, А.В. Приезжев, Л.П. Шубочкин, А.П. Иванов, А .Я. Хайруллина, А.Н. Понявина, В.А. Лойко, О.В. Ангельский, А.Г. Ушенко, Н.Г. Хлебцов, ДА. Зимняков, С.С. Ульянов, Ю.П. Синичкин, И.Л. Максимова и др.) [39-48].

Несмотря на значительные успехи в области развития фундаментальных основ и практических приложений поляризационной и спекл-корреляционной диагностики и визуализации биотканей, актуальными задачами в настоящее время являются повышение эффективности и расширение функциональных возможностей существующих диагностических методов, а также разработка новых подходов в области оптической диагностики с использованием когерентного и некогерентного света. В частности, в недостаточной степени разработаны когерентно-оптические методы исследования нестационарной динамики рассеивающих центров в биологических средах, возникающей в результате воздействия на биоткани различных факторов.

В связи с этим цель данной работы может быть сформулирована следующим образом: развитие существующих и разработка новых методов поляризационной и когерентно-оптической диагностики биологических объектов на основе исследований поляризационных и корреляционных свойств обратно рассеянного зондирующего излучения в зависимости от структурных и динамических характеристик зондируемых модельных сред и биотканей.

В рамках решения поставленной проблемы решались следующие задачи: - теоретические и экспериментальные исследования оптимальных условий поляризационной визуализации неоднородностей в многократно рассейвающих средах с использованием степени поляризации обратно рассеянного некогерентного излучения как параметра визуализации;

- разработка теоретических основ и экспериментальная апробация спекл-корреляционного метода полного поля с многокаскадной пространственной фильтрацией рассеянного света применительно к исследованию нестационарной динамики рассеивающих центров в зондируемой среде;

- экспериментальные исследования динамического рассеяния зондирующего когерентного света с использованием спекл-коррелометрии полного поля в условиях термической модификации коллагеновых тканей при нестационарном нагреве ИК лазерным излучением; разработка на данной основе спекл-корреляционного метода мониторинга процесса лазерной модификации хрящевой ткани в условиях детектирования обратно рассеянного зондирующего излучения;

Научная новизна работы

1. Впервые проведен сравнительный анализ различных подходов к поляризационной визуализации поглощающих неоднородностей в многократно рассеивающих средах в условиях зондирования среды линейно поляризованным светом и детектирования обратно рассеянного излучения. Установлено, что наилучшее качество поляризационных изображений и максимальная глубина зондирования достигаются при использовании степени поляризации детектируемого обратно рассеянного излучения в качестве параметра визуализации.

2. Разработан спекл-корреляционный метод полного поля с использованием кумулянтного анализа контраста усредняемых по времени спекл-модулированных изображений зондируемой среды для определения кинетических параметров процессов структурной модификации биотканей в условиях нестационарного термического воздействия.

3. Разработан метод определения оптических характеристик плотноупакован-ных случайно-неоднородных сред (в том числе и биотканей) путем анализа данных спектроскопии когерентного обратного рассеяния и диффузного пропускания с использованием модели пространственно-однородной эффективной среды с комплексным показателем преломления.

4. Впервые установлен эффект резкого убывания параметра локализации кГ {к - волновое число зондирующего излучения в среде, /*- транспортная длина) до значений, близких к критическому (кГ = 1), для модельных сред на основе частиц двуокиси титана при уменьшении длины волны зондирующего излучения вблизи края полосы поглощения ТЮг.

Практическая значимость результатов исследований

1. Уточнены условия эффективного применения метода поляризационной видеорефлектометрии для морфофункциональной диагностики и визуализации поверхностных слоев биотканей при их зондировании линейно поляризованным светом в условиях спектральной селекции обратно рассеянного излучения (путем анализа составляющих получаемых цветных изображений, соответствующих различным цветовым координатам).

2. Разработан метод спекл-корреляционного мониторинга процесса лазерной модификации хрящевых тканей; разработан макетный образец спекл-коррелометра полного поля с использованием волоконно-оптических элементов для передачи рассеянного зондирующего излучения от зоны термической модификации до ПЗС-камеры, что позволяет применить разработанное устройство при создании системы обратной связи для лазерных хирургических установок, используемых в клинических условиях для формоизменения хрящевых тканей. 3. Разработан новый подход к определению оптических характеристик плот-ноупакованных случайно-неоднородных сред, в том числе и биотканей (в частности, транспортного коэффициента рассеяния среды, относительного показателя преломления рассеивающих центров и эффективного показателя преломления среды) по экспериментальным данным, полученным с использованием различных оптических диффузионных методов (диффузионно-волновой спектроскопии, спектроскопии диффузного пропускания и отражения, импульсно-модуляционного зондирования, спектроскопии когерентного обратного рассеяния, низкокогерентной интерферометрии).

Достоверность результатов

Полученные в диссертационной работе результаты использовались при выполнении следующих грантов:

- грант "Корреляция" по программе "Университеты России. Фундаментальные исследования в области естественных и гуманитарных наук". 20002001 гг.;

- грант РФФИ № 00-02-81014, 2000-2001 гг.;

- грант РФФИ № 01-02-17493, 2001-2003 гг.;

- грант РФФИ MAC № 02-02-06180, 2002 г.;

- грант РФФИ MAC № 03-02-064445, 2003 г.;

- грант РФФИ № 04-02-16533, 2004-2006 гг. и

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

3. Энергия активации процесса термической модификации хрящевой ткани, определяемая для начальной стадии лазерного нагрева для значений мощности излучения эрбиевого лазера (длина волны 1.56 мкм) от 4 до 5 Вт с использованием спекл-корреляционного метода полного поля, составляет 62 ± 4 кДж/моль. Эта энергия предположительно соответствует конформацион-ным переходам в подсистеме протеогликановых агрегатов как одной из осг новных составляющих хрящевой ткани.

5. Разработан метод определения оптических характеристик плотноупако-ванных случайно-неоднородных сред на основе анализа экспериментальных данных по диффузному пропусканию, когерентному обратному рассеянию и результатов низкокогерентной интерферометрии с использованием модели пространственно-однородной эффективной среды с комплексным показателем преломления.

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя состоит в самостоятельном проведении экспериментальных и теоретических исследований, обработке и интерпретации полученных результатов. Постановка задач исследований осуществлялась научным руководителем д.ф.-м.н., профессором Д.А. Зимняковым. Часть экспериментов по поляризационной визуализации и термической модификации хрящевой ткани выполнена совместно с профессором Д.А. Зимняковым, профессором Ю.П. Синичкиным и старшим научным сотрудником А.П. Свиридовым.

Публикации

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и отечественных научных конференциях: Saratov Fall Meeting: Workshop on Optical Technologies in Biophysics and Medicine, Saratov, Russia (October 1999); Saratov Fall Meeting: Workshop on Coherent Optics of Ordered and Random Media, Saratov, Russia (October 2000, 2001, 2002, 2003; September 2004, 2005); Saratov International Workshop on Biophotonics, Saratov, Russia (June 2002); Photonics West: BIOS 2003, Optical Diagnostics and sensing III, USA (January 2003); Graduate Summer School Bio-Photonics, Island Ven, Sweden (June 2003); NATO Advanced Study Institute «Biophotonics: From Fundamental Principles to Health, Environment, Security and Defence Applications», Ottawa, Canada (29 September - 4 October 2004); Photonics North, Ottawa, Canada (September 2004);

Десятая Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и Молодых Учёных, Москва, Россия (Апрель 2004).

Структура и объем работы

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Кузнецова, Лиана Владимировна

Основные результаты работы могут быть использованы для совершенствования существующих и создания новых оптических методов морфо-функциональной диагностики биотканей в лабораторных и клинических условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в диссертационной работе представлены результаты исследований взаимосвязи пространственных, временных, угловых корреляционных и поляризационных характеристик многократно рассеянных световых полей со структурными и динамическими характеристиками рассеивающих сред (в том числе и биологических тканей) и разработки на данной основе ряда оптических методов диагностики и визуализации рассеивающих объектов, зондируемых когерентным, частично когерентным и некогерентным излучениями видимого и ближнего ИК диапазонов. Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Поляризационная визуализация макронеоднородностей в рассеивающих средах при использовании степени остаточной поляризации обратно рассеянного излучения в качестве параметра визуализации обеспечивает максимальный контраст формируемого изображения по сравнению с обычной схемой визуализации в обратно рассеянном свете (в том числе и с поляризационной дискриминацией регистрируемого излучения). Максимальное значение контраста получаемых по данному методу поляризационных изображений достигается при модальном значении оптических путей парциальных составляющих рассеянного излучения в зондируемой среде, сравнимом с длиной деполяризации зондирующего излучения. Требуемое соотношение между глубиной проникновения зондирующего излучения в среду (например, в биологическую ткань) и длиной деполяризации может быть достигнуто путем выбора длины волны зондирующего излучения либо путем применения иммерсионных агентов и поглотителей, диффундирующих в зондируемый объем.

3. Разработанная двухкаскадная схема оптического спекл-коррелометра, равно как и метод с использованием кумулянтного анализа контраста усредняемых по времени спекл-модулированных изображений анализируемого объекта, могут быть успешно применены для исследования нестационарных многократно рассеивающих сред (в частности, термически модифицируемых коллагеновых тканей). Использование в подобной системе волоконно-оптических элементов для передачи детектируемого рассеянного излучения от объекта к позиционно-чувствительному приемнику, а также детектирование излучения, рассеянного объектом в обратном направлении, позволяют применять разработанную спекл-корреляционную систему для мониторинга модификации коллагеновых тканей в клинических условиях.

4. С использованием разработанного метода определения кинетических параметров процессов термической модификации и денатурации биологических тканей при воздействии ИК лазерного проведена оценка энергии активации термической модификации для хрящевой ткани; в результате получена величина 62 + 4 кДж/моль. Это позволяет предложить в качестве возможного механизма термической модификации хрящевой ткани термически индуцированные конформационные переходы в подсистеме протеогликановых агрегатов (ПГА) как одной из основных структурных составляющих коллагеновых тканей. Можно предположить, что флуктуации интенсивности рассеянного зондирующего излучения на стадии нагрева хрящевой ткани обусловлены динамическим рассеянием на флуктуациях диэлектрической проницаемости среды, возникающих в результате термических индуцированных конформационных переходов через энергетический барьер, определяемый энергией связи дисахаридных звеньев макромолекул ПГА.

5. Разработан метод определения оптических характеристик (транспортного коэффициента рассеяния среды и эффективного показателя преломления) плотноупакованных случайно-неоднородных сред в отсутствие данных о показателе преломления рассеивателей на основе аппроксимации экспериментальных данных по когерентному обратному рассеянию, диффузному пропусканию и низкокогерентной интерферометрии с использованием модели эффективной среды в приближении когерентного потенциала.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Кузнецова, Лиана Владимировна, Саратов

1. Goodman J. Some fundamental properties of speckles I I JOSA. 1976. - V. 66.-P. 1145.

2. Goodman J. Statistical properties of laser speckle patterns // J.C.Dainty. Laser Speckle and Related Phenomena 2nd ed. Heidelberg/Berlin, 1984.

3. Goodman J.W. Statistical Optics. N.Y., 1985.

4. Dainty J.C. Topics in Applied Physics. Heidelberg/Berlin, 1984.

5. Pedersen H. Theory of speckle dependence on surface roughness // JOSA. -1976.-V. 66.-P. 1204.

6. Jakeman E. Speckle statistics with a small number of scatterers // Opt. Eng. -1984.-V. 23.-P. 453.

7. Pusey P. Photon correlation study of laser speckle produced by a moving rough surface // J. Phys. D. 1976. - V. 9. - P. 1399.

8. Photon Correlation and Light-Beating Spectroscopy / Cummins H.Z., Pike E.R.-N.Y., 1974.

9. Jakeman E., Welford W. Speckle statistics in imaging systems // Opt. Commun. 1977. - V. 21. - P. 72.

10. Outsubo J., Asakura T. Statistical properties of speckle intensity variations in the diffraction field under illumination of coherent light // Opt. Commun. -1975.-V. 14.-P. 30.

11. Yoshimura T. Statistical properties of dynamic speckles // JOSA A. 1986. -V.3.-P. 1032.

12. Рытов C.M., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. 4.2. Случайные поля. М., Наука, 1978.

13. Golubentsev A. On the suppression of the interference effects under multiple scattering of light // Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1984. - V. 86. - P.47 (in Russian).

14. Stephen M. Temporal fluctuations in wave propagation in random media // Phys. Rev. В. 1988. - V. 37. - P. 1.

15. MacKintosh F., John S. Diffusing-wave spectroscopy and multiple scattering of light in correlated random media // Phys. Rev. B. 1989. - V. 40. - P. 2382.

16. John S. Localization of light // Physics Today. May 1991. - V. 32.

17. Van Albada M., Lagendijk A. Observation of weak localization of light in a random medium // Phys. Rev. Lett. 1985. - V. 55. - P. 2692.

18. Wolf P.-E., Maret G. Weak localization and coherent backscattering of photons in disordered media // Phys. Rev. Lett. 1985. - V. 55. - P. 2696.

19. Akkermans E., Wolf P.E., Maynard R., Maret G. Theoretical study of the coherent backscattering of light by disordered media // J. Phys. France. V. 49.-P. 77.

20. Feng S., Kane C., Lee P.A., Stone A.D. Correlations and fluctuations of coherent wave transmission through disordered media // Phys. Rev. Lett. -1988.-V. 61.-P. 834.

21. Freund I., Rosenbluh M., Feng S. Memory effects in propagation of optical waves through disordered media // Phys. Rev. Lett. 1988. - V. 61. - P. 2328.

22. Pine D., Weitz D., Chaikin P., Herbolzheimer E. Diffusing-wave spectroscopy // Phys. Rev. Lett. 1988. - V. 60. - P. 1134.

23. Boas D.A., Campbell L.E., Yodh A.G. Scattering and imaging with diffusing temporal field correlations // Phys. Rev. Lett. 1995. - V. 75. - P. 1855.

24. Yodh A.G., Georgiades N., Pine D.J. Diffusing-wave interferometry // Opt. Commun. 1991. - V. 83. - P. 56.

25. Kao M.H., Yodh A.G., Pine D.J. Observation of Brownian motion on the time scale of hydrodynamic interactions // Phys. Rev. Lett. 1993. - V. 70. - P. 242.

26. Boas D.A., Bizheva K.K., Siegel A.M. Using dynamic low-coherence interferometry to image Brownian motion within highly scattering media // Opt.Lett. 1998. - V. 23. - P. 319.

27. Nilsson G., Jakobsson A. Wardell K. Tissue perfusion monitoring and imaging by coherent light scattering // Proc. SPIE. 1991. - V.l 524. - P.90.

28. Serov A., Steenbergen W., de Mul F. A method for estimation of the fraction of Doppler-shifted photons in light scattered by mixture of moving and stationary scatterers // SPIE Proc. 2000. - V. 4001. - P. 178.

29. Briers J.D. Wavelength dependence of intensity fluctuations in laser speckle patterns from biological specimens // Opt. Commun. 1975. - V. 13. - P. 324.

30. Fercher A.F., Briers J.D. Flow visualization by means of single-exposure speckle photography // Opt. Commun. 1981. - V. 37. - P. 326.

31. Fercher A. F., Peukert M., Roth E. Visualization and measurement of retinal blood flow by means of laser speckle photography // Opt. Eng. 1986. - V. 25.-P. 731.

32. Ruth B. Non-contact blood flow determination using a laser speckle method // Opt. Laser Technol. 1988. - V. 20. - P. 309.

33. Briers J.D., Webster S. Quasi real-time digital version of single-exposure speckle photography for full-field monitoring or flow fields // Opt. Commun. 1995. - V. 116.-P. 36.

34. Kim Y.L., Liu Y., Turzhitsky V.M., Roy H.K. et al. Coherent backscattering specktroscopy // Optics Letters. 2004. - V. 29. - N. 16. - P. 1906.

35. Bicout D., Brosseau C., Martinez A. S., Schmitt J. M. Depolarization of multiply scattering waves by spherical diffiisers: Influence of size parameter // Phys. Rev. E. 1994. - V. 49. - P. 1767.

36. Demos S.G., Wang W.B., Alfano R.R. Imaging objects hidden in scattering media with fluorescence polarization preservation of contrast agents // Appl. Opt. 1998.-V. 37.-P. 792.

37. Sankaran V., Everett M. J., Maitland D. J., Walsh J. T. Comparison of polarized light propagation in biologic tissue and phantoms // Opt. Lett. — V. 24.-P. 1044.

38. Зимняков Д.А., Синичкин Ю.П. // Оптика и спектроскопия. 2001. - Т. 91.-Вып. 1.-С. 113.

39. V.V.Tuchin. Selected papers on tissue optics: applications in medical diagnostics and therapy. Bellingham, 1994.

40. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях / Тучин В.В. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. - 384 с.

41. Лазерная диагностика в биологии и медицине // Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П.

42. Tuchin V.V. Lasers light scattering in biomedical diagnostics and therapy // J. Laser Appl. 1993. - V. 5. - N. 2, 3. - P. 43.

43. Максимова И.Jl., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Матрицы рассеяния света хрусталика глаза // Опт. спектр. 1988. - Т. 65. - С. 615.

44. Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная микродиагностика оптических тканей глаза и форменных элементов крови // Изв. АН СССР. Сер. Физическая. 1989. - Т. 53. - С. 1490.

45. Королевич А.Н., Хайруллина А.Я., Шубочкин Л.П. Матрица рассеяния монослоя оптически "мягких" частиц при их плотной упаковке // Опт. спектр. 1990. - Т. 68. - С. 403.

46. Кузьмин В.Л., Романов В.П. Когерентные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах // Успехи физ. наук. 1996. - Т. 166. - С. 247.

47. Zimnyakov D.A., Tuchin V.V., Larin K.V. Speckle patterns polarization analysis as on approach to turbid tissues structure monitoring // Coherence-domain methods in biomedical science and clinical applications. V.V.Tuchin Bellingham, 1997.

48. Синичкин Ю.П., Утц C.P., Пилипенко E.A. Спектроскопия кожи человека in vivo. 1. Спектры отражения // Опт. спектр. 1996. - Т. 80, вып. 2. - С. 260.

49. Maret G., Wolf Р.Е. Multiple light scattering from disordered media. The effect of Brownian motions of scattterers // Z. Phys. B. 1987. - V. 65. - P. 409.

50. Boas D.A., Yodh A.G. Spatially varying dynamical properties of turbid media probed with diffusing temporal light correlation // JOSA A. 1997. - V. 14. -P. 192.

51. Ackerson B.J., Dougherty R.L., Reguigui N.M., Nobbman U. Correlation transfer: application of radiative transfer solution methods to photon correlation problems // J. Thermophys. And Heat Trans. 1992. - V. 6. - P. 577.

52. Heckmeier M., Skipetrov S.E., Maret G., Maynard R. Imaging of dynamic heterogeneities in multiple-scattering media // JOS A A. 1997. — V. 14. - P.185.

53. Briers J. D., Webster S. Laser speckle contrast analysis (LASCA): a non-scanning, fullfield technique for monitoring capillary blood flow // J. Biomed. Opt.-1996.-V. l.-P. 174.

54. Richards G., Briers J. D. Capillary blood flow monitoring using laser speckle contrast analysis (LASCA): improving the dynamic range // Proc. SPIE. -1997.-V. 2981.-P. 160.

55. Briers J.D., Richards G., He X.W. Capillary blood flow monitoring using laser speckle contrast analysis (LASCA) // J. Biomed. Opt. 1999. - V. 4. -P. 164.

56. Sadhwani A., Schomacker K.T., Tearney G.T., Nishioka N. Determination of Teflon thickness with laser speckle. I. Potential for burn depth diagnosis // Appl. Opt. 1996. - V. 35. - P. 5727.

57. Fercher A.F., Mengedoht K., Werner W. Eye-length measurements by interferometry with partially coherent light // Opt. Lett. — 1988. V. 13. - P.186.

58. Fercher A.F., Hitzenberger C.K., Kamp G., and Elzaiat S.Y. Measurement of intraocular distances by backscattering spectral interferometry// Opt. Commun.- 1995.-V. 117.-P. 43.

59. Swanson E. A., Izatt J. А., Нее M. R. et al. In vivo retinal imaging by optical coherence tomography // Opt. Lett. 1993. - V. 18. - P. 1864.

60. Swanson E.A., Huang D., Нее M.R., Fujimoto J.G. et al. High-speed optical coherence domain reflectometry // Opt. Lett. 1992. - V. 17. - P. 151.

61. Геликонов B.M., Геликонов Г.В., Гладкова Н.Д и др. Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей // Письма в ЖЭТФ. 1995. - Т. 61. - С. 149.

62. Sergeev A.M., Gelikonov V. М., Gelikonov G. V. et al. In vivo endoscopic OCT imaging of precancer and cancer states of human mucosa // Opt. Express. 1997.-V. l.-P. 432.

63. Fercher A.F. Optical coherence tomography // J. Biomed. Opt. 1996. - V. 1. -P. 157.

64. Drexler W., Findl O., Menapace R. et al. Dual-beam optical coherence tomography: signal identification for ophthalmologic diagnosis // J. Biomed. Opt. 1998. - V. 3. - P. 55.

65. DiCarlo C.D., Roach W.P., Gagliano D.A. et al. Comparison of optical coherence tomography imaging of cataracts with histopathology // J. Biomed. Opt.-1999.-V. 4.-P. 450.

66. W. Drexler, U. Morgner, F. X. Krtner, C. Pitris, S. A. Boppart, X. D. Li, E. P. Ippen, J. G. Fujimoto et al. In vivo ultrahigh-resolution optical coherence tomography // Opt. Lett. 1999. - V. 24. - P. 1221.

67. Tearney G.J., Brezinski M.E., Bouma B.E. et al. In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography // Science. 1997. - V. 276. - P. 2037.

68. Tearney G. J., Boppart S. A., Bouma B. E. et al. Scanning single-mode fiber optic catheter-endoscope for optical coherence tomography // Opt. Lett. -1996.-V. 21.-P. 543.

69. Feldchtein F.I., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M. et al. Endoscopic applications of optical coherence tomography// Opt. Express. 1998. - V. 3. -P. 257.

70. Kamensky V.A, Feldchtein F.I, Pravdenko K.I et al. Monitoring and animation of laser ablation process in cataracted eye lens using coherence tomography // Proc. SPIE 1997. - V. 2981. - P. 94.

71. Kamensky V.A., Feldchtein F.I., Gelikonov V.M. et al. In situ monitoring of laser modification process in human cataractous lens and porcine cornea using coherence tomography // J. Biomed. Opt. 1999. - V. 4. - P. 137.

72. Pan Y., Farkas D.L. Non-invasive Imaging of Living Human Skin with Dual-wavelength Optical Coherence Tomography in Two and Three Dimensions // J. Biomed. Opt. 1998. - V. 3. - P. 446.

73. Leitgeb R., Wojtkowski M., Kowalczyk A. et al. Spectral measurement of absorption by spectroscopic f requency-domain optical coherence tomography // Opt. Lett. 2000. - V. 25. - P. 820.

74. Schmitt J.M., Xiang S.H. Cross-polarized backscatterin optical coherence tomography of biological tissue // Opt. Lett. 1998. - V. 23. - P. 1060.

75. Park B.H., Saxer C.E., Srinivas S.M. et al. In vivo burn depth determination by high-speed fiber-based polarization sensitive optical coherence tomography // J. Biomed. Opt. 2001. - V. 6. - P. 474.

76. Leitgeb R., Schmetterer L.F., Wojtkowski M. et al. Flow velocity measurements by frequency domain short coherence interferometry // Proc. SPIE-2002. V. 4619.-P. 16.

77. Wang X.J., Milner T.E., Nelson J.S. Characterization of fluid flow velocity by optical Doppler tomography // Opt. Lett. 1995. - V. 20. - P. 1337.

78. Boas D.A., Bizheva K.K., Siegel A.M. Using dynamic low-coherence interferometry to image Brownian motion within highly scattering media // Opt. Lett. 1998.-V. 23.-P. 319.

79. Kolinko V.G., de Mul F.F., Greve J. Feasibility of picosecond laser-Doppler flowmetry provides basis for time-resolved Doppler tomography of biological tissues // J. Biomed. Opt. 1998. - V. 3. - P. 187.

80. Hausler G., Herrmann J. M., Kummer R. et al. Observation of light propagation in volume scatterers with 1011-fold slow motion // Opt. Lett. -1996.-V.21.-P. 1087.

81. Eigensee A., Haeusler G., Herrmann J.M., Lindner M.W. New method of short-coherence interferometry in human skin (in vivo) and in solid volume scatterers // Proc. SPIE. 1996. - V. 2925. - P. 169.

82. Anderson R. R. Polarized light examination and photography of the skin // Arch. Dermatol. 1991. -V. 127. - P. 1000.

83. Bilden P. F., Phillips S. B., Kollias N. et al. Polarized light photography of acne vulgaris // J. Invest. Dermatol. 1992. - V. 98. - P. 606.

84. Kollias N. Polarized light photorgaphy of human skin // Bioengineering of the Skin: Skin Surface Imaging and Analysis. K.-P. Wilhelm, P. Eisner, E. Berardesca, H. I. Maibach. N.Y., 1997.

85. Demos S.G., Wang W. B., Ali J., Alfano R. R. New optical difference approaches for subsurface imaging of tissues // Advances in Optical Imaging and Photon Migration. J. G. Fujimoto, M. S. Patterson. 1998.

86. Jacques S.L., Roman J.R., Lee K. Imaging superficial tissues with polarized light // Lasers Surg. Med. 2000. - V. 26. - P. 119.

87. Muccini A., Kollias N., Phillips S. B. et al. Polarized light photography in the evaluation of photoaging // J. Am. Acad. Dermatol. 1995. - V. 33. - P. 765.

88. Emile O., Bretenaker F., LeFloch A. Rotating polarization imaging in turbid media // Opt. Lett. 1996. - V. 21. - P. 1706.

89. Jacques S. L., Ramella-Roman J. C., Lee K. Imaging skin pathology with polarized light // J. Biomed. Opt. 2002. - V. 7. - N. 3. - P. 329.

90. Schnorrenberg H.-J., Hengstebeck M., Schlinkmeier K., Zinth W. Polarization modulation can improve resolutionin diaphanography // Proc. SPIE. 1995. -V. 2326.-P. 459.

91. Zimnyakov D. A., Sinichkin Yu. P. A study of polarization decay as applied to improved imaging in scattering media // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2000. -V. 2.-P. 200.

92. Синичкин Ю.П., Зимняков Д.А., Агафонов Д.Н., Кузнецова JI.B. Визуализация рассеивающих сред при обратном рассеянии линейно поляризованного немонохроматического света // Оптика и спектроскопия 2002. - Т. 93. - Вып. 1. - С. 99.

93. Mourant J. R., Fuselier Т., Boyer J. et al. Predictions and measurements of scattering and absorption over broad wavelength ranges in tissue phantoms // Appl. Opt. 1997. - V. 36. - P. 949.

94. Perelman L. Т., Backman M., Wallace G et al. Observation of periodic fine structure in reflectance from biological tissue: A new technique for measuring nuclear size distribution // Phys. Rev. Lett. 1998. - V. 80. - P. 627.

95. Anderson P.W. Absebce of diffusion in certain random lattices // Phys. Rev. -1985.-V. 109.-P. 1492.

96. Yoo K.M., Tang G.C., Alfano R.R. Coherent backscattering of light from biological tissues // Appl. Opt. 1990. - V. 29. - P. 3237.

97. Yoo K.M., Liu F., Alfano R.R. Biological materials probed by the temporal and angular profiles of the backscattered ultrafast laser pulses // J. Opt. Soc. Am. 1990.-V. B7.-P. 1685.

98. Yoon G., Ghosh Roy D.N., Straight R.C. Coherent backscattering in biological media: measurement and estimation of optical properties// Appl. Opt.- 1993.-V. 32.-P. 580.

99. Eddowes M.H., Mills T.N., Delpy D.T. Monte Carlo simulations of coherent backscatter for identification of the optical coefficients of biological tissues in vivo // Appl. Opt. 1995. - V. 34. - P. 2261.

100. Kuznetsova L.V., Zimnyakov D.A. Multiple-beam interferometry of turbid media with quasi-monochromatic light // Proc. SPIE. 1999. - V. 4001. - P. 217.

101. Kuznetsova L.V., Zimnyakov D.A., Zdrajevsky R.A. «Shadow inversion» in CW transillumination imaging and «image projection function» of highly scattering medium with absorbing inhomogeneity // Proc. SPIE. 2000. - V. 4242.-P. 275.

102. Gonik M.M., Kuznetsova L.V., Zimnyakov D.A. Scattering media diagnostics with use of analysis of dynamic speckle: some manifestations of the scattered light pathlength distributions // Proc. SPIE. 2001. - V. 4705.

103. Kaplan P.D., Kao M.H., Yodh A.G., Pine D.J. Geometric constraints for the design of diffusing-wave spectroscopy experiments // Applied Optics. 1993. -V. 32.-P. 3828.

104. Arridge S.R., Cope M., Delpy D.T. The theoretical basis for the determination of optical pathlengths in tissue: temporal and frequency analysis // Phys. Med. Biol. 1992.-V. 37.-P. 1531.

105. Patterson M.S., Chance B., Wilson B.C. Time-resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of the tissue optical properties // Applied Optics. 1989. - V. 28. - P. 2331.

106. Zhu J.X., Pine D.J., Weitz D.A. Internal reflection of diffuse light in random media // Phys. Rev. A. 1991. - V. 44. - P. 3948.

107. Haskell R.C., Svaasand L.O., Tsay T.-T., Feng T.-C. et al. Boundary conditions for the diffusion equation in radiative transfer // JOS A A. 1994. -V. 11.-P. 2727.

108. Bremmer H. Random volume scattering // Radio Sci. J. Res. 1964. - V. 680. - P. 967.

109. Lemieux P.-A., Vera M.U., Durian D.J. Diffusing-light spectroscopies beyond the diffusing limit: The role of ballistic transport and anisotropic scattering // Phys. Rew. E, 4. 1998. - V. 57. - P. 4498.

110. Durian D.J., Rudnick J. Photon migration at short times and distances and in cases of strong absorption // JOSA A. 1997. - V. 14. - P. 235.

111. Bicout D., Brosseau С., Martinez A. S., Schmitt J. М. Depolarization of multiply scattering waves by spherical diffusers: Influence of size parameter// Phys. Rev. E. 1994. - V. 49. - P. 1767.

112. Sankaran V., Everett M. J., Maitland D. J., Walsh J. T. Comparison of polarized light propagation in biologic tissue and phantoms // Opt. Lett. V. 24.-P. 1044.

113. Durian D. J. The diffusion coefficient depends on absorption // Opt. Lett V. 23.-P. 1502.

114. Durduran Т., Yodh A. G., Chance В., Boas D. A. Does the photon-diffusion coefficient depend on absorption? // JOSA A. 1997. - V. 14. - P. 3358.

115. Furutsu K., Yamada Y. Diffusion approximation for a dissipative random medium and the applications // Phys. Rev. E. 1994. - V. 50. - P. 3634.

116. Bassani M., Martelli F., Zaccanti G., Contini D. Independence of the diffusion coefficient from absorption: experimental and numerical evidence // Opt. Lett. 1997. - V. 22.-P. 853.

117. Zimnyakov D.A., Sinichkin Yu.P. Ultimate Degree of Residual Polarization of Incoherently Backscattered Light for Multiple Scattering of Linearly Polarized Light // Optics and Spectroscopy. 2001. -V. 91.- No. l.-P. 113.

118. Jacques S.L., Lee K., Roman J. Scattering of polarized light by biological tissues // Proc. SPIE. 2000. - V.4001. - P. 14.

119. Sobol E., Sviridov A., Omel'chenko A. et al. Laser Reshaping of Cartilage// Biotechnology and Genetic Engineering Reviews. 2000. - V. 17. - P. 539.

120. Ovchinnikov Y., Sobol E., Svistushkin V. et al. Laser septochondrocorrection // Arch. Facial Plast. Serg. 2002. - V. 4. - P. 180.

121. Agafonov D.N., Kuznetsova L.V., Zimnyakov D.A., Sviridov A.P., Omel'chenko A.I. Speckle contrast techniques in study of tissue thermal modification and denaturation // Proc. SPIE. 2001. - V. 4705. - P. 161.

122. Kirsch K.M., Zelickson B.D., Zachary C.B., Tope W.D. Ultrastructure of collagen thermally denatured by microsecond domain pulsed carbon dioxide laser // Arch dermatolog. 1998. - V. 134. - P. 1255.

123. Лазеры в клинической медицине: (Руководство для врачей) / Под ред. С. Д. Плетнева. М., Медицина, 1981.-400 с.

124. Cohen N.P., Foster R., Mow С. Composition and dynamics of articular cartilage: structure, function, and maintaining healthy state // JOSA. 1998. -V. 28.-P. 203.

125. Динамика гидратированных мукополисахаридов в хрящевых тканях при воздействии лазерного излучения и механических напряжений // А.Н. Омельченко, Э.Н. Соболь, Н. Ю. Игнатьева и др. // Б.м. Б. н.

126. Choi J.Y., Tanenbaum B.S., Milner Т.Е. et al. Thermal, mechanical, optical, and morphologic changes in bovine nucleus pulposus induced by Nd:YAG (X = 1.32 |im laser irradiation) // Lasers in surgery and medicine. 2001. - V. 28.-P. 248.

127. Wall M.S., Deng X.H. et al. Thermal modification of collagen // J.Shoulder Elbow Surg. 1999. - V. 8. - N. 4. - P. 339.

128. Sobol E., Sviridov A. P., Omel'chenko A. et al. Mechanism of laser-induced stress relaxation in cartilage // Proc. SPIE. 1997. - V. 2975. - P. 310.

129. Bagratashvili V., Bagratashvili N., Sviridov A. et al. Kinetics of water transfer and stress relaxation in cartilage heated with 1.56 цгп fiber laser // Proc. SPIE. -2000.-V. 3914.-P. 102.

130. Соболь Э.Н., Омельченко A.H., Мертиг M., Помпе В. Изменения тонкой структуры хрящевой ткани при неразрушающем воздействии СОг-лазера // Известия академии наук. Серия физическая. 1999. - Т. 63. - Вып. 10. -С. 2072.

131. Баграташвили В. Н., Баграташвили Н. В., Гапонцев В. П. и др. Изменение оптических свойств гиалинового хряща при нагреве лазерным излучением ближнего ИК диапазона // Квантовая электроника. 2001. - Т. 31. - Вып. 6. - С. 534.

132. Соболь Э.Н., Китай М. С. Расчет кинетики нагрева и структурных изменений в хрящевой ткани под действием лазерного излучения // Квантовая электроника. 1998. - Т. 25. - Вып. 7. - С. 651.

133. Hale G. М., Querry М. R. Optical constants of water in the 200 nm to 200 цш wavelength region // Applied Optics 1973. -V. 12. - P. 555.

134. Bagratashvili V., Bagratashvili N., Sviridov A., Sobol E. et al. Kinetics of water transfer and stress relaxation in cartilage heated with 1.56 цт fiber laser // Proc.SPIE. 2000. - V. 3914. - P. 102.

135. Wong B.J., Milner Т.Е., Harrington A., Ro J. et al. Feedback-controlled lasermediated cartilage reshaping // Arch. Facial Plast. Surg. 1999. - V. 1. - P. 282.

136. Maitland D.J., Walsh J.T. Quantitative measurements of linear birefringence during heating of native collagen // Lasers in Surgery and Medicine 1997. -V. 20.-P. 310.

137. Sobol E.N., Bagratashvili V.N., Sviridov A.P., Omel'chenko A.I. et al. Cartilage shaping under laser radiation // Proc. SPIE. 1994. - V. 2128. - P. 43.

138. Sviridov A.P., Sobol E.N., Jones N., Lowe J. Effect of Holmium laser radiation on stress, temperature and structure in cartilage // Lasers in Medical Science 1998. - V. 13. - P. 73.

139. Sobol E., Omel'chenko A., Mertig M., Pompe W. Scanning force microscopy of the fine structure of cartilage irradiated with a CO2 laser // Lasers in Medical Science. 2000. - V. 15. - P. 15.

140. Kuznetsova L.V., Rodionova A.A., Zimnyakov D.A. Polarization-sensitive speckle-correlometry as applied to monitoring of thermal modification processes in collagenous tissues // Proc. SPIE. 2004. - V. 5578. - P. 290.

141. Kuznetsova L.V., Gavrilova A.A., Zimnyakov D.A. Study of relaxation of thermally treated collagenous tissues with cumulant analysis of speckle intensity fluctuations // Proc. SPIE. 2005. - Vol. 5772. - P. 139.

142. Zimnyakov D.A., Oh. Jung-Таек, Sinichkin Yu.P., Trifonov V.A., Gurianov E.V. Polarization-sensitive speckle spectroscopy of scattering media beyond the diffusion limit // J. Opt. Soc. Am. A. 2004. - V. 21. - P. 59.

143. Yoshimura T., Nakagawa K., Wakabayashi N. Rotational and boiling motion of speckles in a two-lens imaging system // J. Opt. Soc. Am. A. 1986. - V. 3.-P. 1018.

144. Kuznetsova L.V., Baranov S.A., Sviridov A.P., Zimnyakov D.A. Comparative analysis of two modalities for speckle contrast monitoring of tissue structure modification // Proc. SPIE. 2004. - V. 5475. - P. 126.

145. Кузнецова JI.В., Баранов С.А., Свиридов А.П., Зимняков Д.А. Спекл-корреляционный мониторинг процесса термической модификации хрящевой ткани // Проблемы оптической физики. 2004. - С. 44.

146. Zimnyakov D.A., Agafonov D.N., Sviridov А.Р., Omel'chenko A.I., Kuznetsova L.V., Bagratashvili V.N. Speckle-contrast monitoring of tissue thermal modification // Applied Optics. 2002. - V. 41. - P. 5989.

147. Zimnyakov D.A., Sviridov A.P., Omel'chenko A.I., Trifonov V.A., Agafonov D.N., Zakharov P.V., Kuznetsova L.V. Speckle diagnostics of relaxation processes in non-statonary scattering systems // Izv. VUZ "AND". 2002. -V. 10. -N. 3. - P. 188.

148. Kuznetsova L.V., Zimnyakov D.A., Sviridov A.P., Omel'chenko A.I., Gryzlov Yu., Uglov E. Coherent light small-angle scattering as applied to monitor the thermal denaturation of collagen tissue // Proc. SPIE. 2003. - Vol. 5067. -P. 132.

149. Jamieson A.M., Blackwell J., Reihanian H., Ohno H. et al. Thermal and solvent stability of proteoglycan aggregates by quasielastic laser light-scattering // Carbohydrate Research. 1987. - V. 160. - P. 329.

150. MacKintosh F.C., John S. Coherent backscattering of light in the presence of time-reversal-noninvariant and parity-nonconserving media // Physical Review B. 1988. - V. 37. -N. 4. - P. 1884.

151. Зимняков Д.А., Кузнецова Л.В., Правдин А.Б. Аномальная диффузия света в слоях порошкового ТЮг вблизи края полосы поглощения // Письма в ЖТФ. 2005. - Т. 82. - Вып. 5. - С. 300.

152. Soukoulis С. М., Datta S., Economou Е. N. Propagation of classical waves in random media // Phys. Rev. B. 1994. - V. 49. - P. 3800.

153. Busch K., Soukoulis С. M., Economou E. N. Transport and scattering mean free paths of classical waves // Phys. Rev. B. 1994. - V. 50. - P. 93.

154. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М., Мир, 1986.

155. Busch К., Soukoulis С.М., Economou E.N. Transport and scattering mean free paths of classical waves // Phys. Rev. B. 1994. - V. 50. - P. 93.

156. Bret B.P.J., Lagendijk A. Anisotropic enhanced backscattering induced by anisotropic diffusion// Phys. Rev. E. 2004. - V. 70. - 036601.

157. Tuchin V.V., Wang R.K. Dynamic Optical Coherence Tomography in Studies of Optical Clearing, Sedimentation, and Aggregation of Immersed Blood // Applied Optics. 2002. - V. 41. - P. 258.

158. Rivas J.G., Sprik R., Soukoulis C.M., Busch K., Lagendijk A. // Europhys. Lett.-1999.-V. 48.-P. 22.

159. Sviridov A., Chernomordik V., Russo A. et al. Intensity profiles of linearly polarized light backscattered from skin and tissue-like phantoms // Journal of Biomedical Optics.-2005.-V. 10.-No. 1.-014012.

Информация о работе

Кузнецова, Лиана Владимировна
кандидата физико-математических наук
Саратов, 2006
ВАК 03.00.02

Диссертация

Поляризационная и когерентная рефлектометрия биотканей: физические основы, методы, приложения - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы